新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案

摘要：電動汽車的發(fā)展有助于緩解能源短缺和環(huán)境污染問題，針對目前鋰電池被逐漸應(yīng)用在電動汽車上，提出了一種基于OZ8940芯片的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)包括電壓、電流、溫度采集電路，均衡電路，MCU主控電路，I2 C通信電路，CAN通信電路，顯示單元。該系統(tǒng)設(shè)計方案簡單可靠，實現(xiàn)了對鋰電池實時監(jiān)測和保護的功能。

　　電動汽車的使用有助于保護環(huán)境和解決能源短缺問題。電池組作為電動汽車的能源，其正常地工作是安全行駛的重要保證，因此，對電池組工作狀態(tài)的管理顯得尤其重要。近年來，對電池管理系統(tǒng)的研究也越來越受到重視。電池管理系統(tǒng)的職能是實時監(jiān)測電池組狀態(tài)，實施必要的管理和保護措施，以提高電池組的利用率，確保電池組工作的安全可靠，進而確保行車安全。

　　1 系統(tǒng)基本功能介紹

　　設(shè)計的鋰電池管理系統(tǒng)采用電池監(jiān)測芯片對電動汽車電池的電壓、電流、溫度等信息進行實時監(jiān)測。采集到的電壓、電流、溫度等信息經(jīng)過微處理器處理后，相應(yīng)的信息顯示在顯示屏上。如果電池狀態(tài)信息超出正常范圍，系統(tǒng)自動切斷充放電回路并報警。均衡電路的應(yīng)用，延長了電池組的使用壽命。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)采用O2Micro公司的OZ8940芯片作為電池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片，工作時電流小于500μA,休眠模式下小于50μA.可支持6~12節(jié)串聯(lián)電池的信息測量，總的電壓測量范圍為9~60 V.內(nèi)部包括12路的12位電壓采集ADC,分辨率2.44 mV.1路片內(nèi)溫度采集ADC,精度為12位，2路片外溫度采集ADC,精度為12位，分辨率1.22mV.OZ8940可提供兩級保護功能，第一級保護包括過電壓、過電流、過溫度等保護。第二級保護是永久性外部極高過電壓故障的保護。此外，OZ8940支持內(nèi)部均衡與外部均衡兩種均衡方式。均衡技術(shù)的應(yīng)用，使得電池組特性在充電時保持了良好的一致性，這有助于延長電池組的使用壽命。OZ8940通過I2 C接口與MCU進行通信。

　　2.1 單體電池電壓監(jiān)測

　　如圖2所示，12節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，從每一節(jié)電池的正負極引出接線端子，單體電池的輸入電壓范圍為-0.5 V~8 V.接線端子經(jīng)過RC低通電路后引入到OZ8940的BAT端口，作為電池電壓的輸入端。RC低通電路可以消除信號中的高頻干擾。在OZ8940中通過一個多路選擇器分別將這12路電壓信號引入到內(nèi)部12位精度的ADC中進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至內(nèi)部邏輯，經(jīng)過I2C接口與MCU通信。

圖2 電壓采集。

　　2.2 電流監(jiān)測

　　采用霍爾電流傳感器對電池組充放電電流進行采集，如圖1中電流采集部分所示。采集到的信息送至MCU進行處理。

2.3 溫度監(jiān)測

　　OZ8940內(nèi)部集成了一個溫度傳感器。片內(nèi)溫度每升高1℃，內(nèi)部溫度傳感器輸出電壓增加2.0976mV.內(nèi)部溫度傳感器輸出的電壓量會有一定的偏差，這個偏差量可以通過片內(nèi)EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在軟件上進行補償。

　　此外，通過使用OZ8940的GPIO1和GPIO2兩個端口可以采集片外溫度信息。如圖3所示，RT1和RT2是負溫度系數(shù)的熱敏電阻，即隨著溫度的升高，其阻值會降低。GPIO0端口提供3.3 V的電壓，GPIO1和GPIO2 分別獲得兩路電壓值。端口GPIO1 和GPIO1采樣電壓輸入大小分別如式（1）和（2）。

　　UT1和UT2經(jīng)過片內(nèi)的一個多路選擇器送至內(nèi)部精度為12位的ADC進行轉(zhuǎn)換。

圖3 溫度采集

　　2.4 均衡電路

　　電池組在充電過程或者空閑狀態(tài)時，當滿足單體電池電壓高于在片內(nèi)EEPROM 預(yù)先設(shè)置好的門限值，且單體電池電壓互差（最高電池電壓與最低電池電壓之差）大于預(yù)先設(shè)置的門限值（精度可以設(shè)置為9.76mV~39 mV），則三極管T導(dǎo)通，均衡電路[2]開始工作。三極管T和電阻RB為單體電池提供了一個放電回路，使得電池的工作狀態(tài)保持了良好的一致性，延長了電池組的使用壽命。值得注意的是，在均衡期間，當系統(tǒng)發(fā)生過電壓、過溫度或者過電流等保護事件時，均衡電路停止工作，這是由OZ8940內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。

　　均衡電路原理圖如圖4所示。

圖4 均衡電路原理圖。

　　2.5 保護措施

　　2.5.1 過電流保護

　　OZ8940內(nèi)部集成了一個過電流監(jiān)測器，它可以監(jiān)測充放電電流的大小。預(yù)先在片內(nèi)EEPROM 設(shè)定了過電流門限值，如果電流高于門限值，則系統(tǒng)在經(jīng)過一定的時間延遲后自動切斷充放電回路。OZ8940在休眠模式下，OZ8940的電流保護失效。實驗中采用霍爾電流傳感器監(jiān)測電流大小。

　　2.5.2 過電壓和低電壓保護

　　OZ8940片內(nèi)集成了一個過電壓和低電壓監(jiān)測器。采集到的電池電壓信息與EEPROM 中設(shè)置的電壓門限值相比較，在充電過程中如果超出了高電壓門限值，則系統(tǒng)在經(jīng)過一定的時間延遲后，自動切斷充電回路。在放電過程中如果超出了低電壓門限值，則系統(tǒng)經(jīng)過一定的時間延遲，自動切斷放電回路。這兩個時間延遲均可在EEPROM 中預(yù)先設(shè)置。OZ8940在休眠模式下，過電壓和低電壓保護不工作。此外，當過電壓保護失效時，OZ8940會啟動第二級過電壓保護功能。即當過電壓超過門限值并且存在8個ADC掃描周期時，OZ8940通過OVPF引腳發(fā)出一個PF信號給MCU,由MCU來控制切斷充電回路。

2.5.3 高、低溫保護

　　溫度保護功能是暫時切斷充電或者放電回路，當溫度恢復(fù)正常后，則閉合充電或者放電回路。溫度保護的工作原理同樣是將內(nèi)部溫度傳感器，或者是將由外部溫度采集電路得到的溫度信息，與OZ8940內(nèi)部的高、低溫門限值相比較，當超過門限值時則啟動保護功能。在電池充放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下，觸發(fā)了高溫保護功能，系統(tǒng)會同時切斷充電回路和放電回路。

　　低溫保護功能的觸發(fā)發(fā)生在放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下，此時系統(tǒng)僅切斷放電回路。同樣，OZ8940在休眠模式下，高、低溫保護失效。

　　2.6 電池組信息的處理與顯示

　　如圖5所示，OZ8940通過I2 C接口與STC單片機（MCU）進行通信，它們之間通過光耦隔離有效地將OZ8940的高壓側(cè)與STC單片機的低壓側(cè)進行了隔離。采集到的電壓信息送至STC單片機進行處理，通過CAN[3]總線送至顯示器顯示。在汽車運行這樣一個高溫、震動及電磁輻射強度高的惡劣環(huán)境下，CAN總線因其良好的檢錯能力和高可靠性被廣泛應(yīng)用。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線。通過單片機P1.0端口和一個MOSFET管，可以使充電回路中的一個熔斷器熔斷，起到了切斷充電回路的作用。即單片機收到OVPF端口產(chǎn)生的一個PF信號后，可由P1.0端口控制一個MOSFET管導(dǎo)通，使得回路熔斷器斷路，進而與OZ8940的第二級過電壓保護功能相配合，起到了保護系統(tǒng)的作用。

圖5 系統(tǒng)通信與顯示。

　　3 軟件設(shè)計

　　STC單片機上電后配置各個寄存器，以及對OZ8940發(fā)送控制字命令，完成初始化。系統(tǒng)每隔500ms定時啟動一次轉(zhuǎn)換，讀取電池組電壓、電流、溫度等信息，計算電池剩余容量，然后送至顯示器進行顯示。

　　當這些信息超出用戶設(shè)定的門限值時，啟動報警。當系統(tǒng)啟動第二級過電壓保護功能時，OZ8940發(fā)送一個PF信號給STC單片機，單片機收到這個信號后產(chǎn)生一個中斷，在中斷服務(wù)程序里，通過P1.0口控制外部MOSFET管導(dǎo)通，熔斷回路熔斷器，并啟動報警告知用戶。OZ8940將采集到的單體電壓值進行處理，與預(yù)先設(shè)定的門限值進行比較，當滿足均衡條件時，均衡電路開始工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 電池管理系統(tǒng)軟件流程。

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

　　實驗時采用12節(jié)40 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構(gòu)成電池組。列舉一組實驗數(shù)據(jù)如下：

　　設(shè)計的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對電池組電壓、電流、溫度、剩余電量等信息的監(jiān)測（見表1,表2,表3），單體電壓誤差小于10 mV.過電壓、過電流和溫度保護的應(yīng)用使得電動汽車在實際運行中更加安全可靠。I2C通信和CAN 總線通信簡單可靠。均衡電路的應(yīng)用有助于延長電池組的使用壽命。系統(tǒng)具有簡明可靠、抗干擾能力強等特點，實驗證明系統(tǒng)的設(shè)計是可行的。

表1 單體電池電壓采集

表2 電流及溫度采集

表3 鋰電池管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置